基于績效激勵機制的數(shù)控機床人機交互系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計

劉敏洋 黃艷群 張大衛(wèi)

1.天津大學機構(gòu)理論與裝備設(shè)計教育部重點實驗室，天津，3003502.北京信息科技大學機電工程學院，北京，100192

0 引言

中國制造業(yè)在“中國制造2025”這項國家計劃的推動下已經(jīng)開始了轉(zhuǎn)折性的變革。該計劃一方面強調(diào)加快推動新一代技術(shù)信息與制造技術(shù)融合發(fā)展，同時也將培養(yǎng)、吸引、留存制造業(yè)人才作為了最終的目標[1]，因此，在打造智能工廠的眾多任務(wù)中，關(guān)于“人”在整個智能工廠中所處的位置與作用，也同樣急需納入研究范圍。中國制造業(yè)的人才流失率已經(jīng)連續(xù)多年處于高位[2]，大量的一線工人中已經(jīng)逐步年輕化至“90后”群體，類似機器般的制造業(yè)工作對這些熱愛新鮮事物、易受同伴影響、追求高精神回報的新生代員工[3]來說，已經(jīng)較難從現(xiàn)實物質(zhì)需求以及職業(yè)的精神需求兩個方面留守住這些人力資源，這也就造成了制造業(yè)人員的高離職率、低工作績效表現(xiàn)和低工作滿意度的結(jié)果。

創(chuàng)新的人力資源管理方法是解決這個問題的重要途徑之一。HAMARI等[4]提出，將“用戶的心理學動機”作為一個影響生產(chǎn)效率重要因子融入信息系統(tǒng)設(shè)計之中是未來的重要趨勢，它能夠有機地將“人”的心理需求(而不是“機器般”的存在)作為提升知識以及生產(chǎn)效能獲取的一個考慮因素。國外的相關(guān)研究則將員工的工作動機、投入感、趣味體驗等融入到人力資源管理的設(shè)計之中，特別是在IT和互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)中，這一理念得到了有效應(yīng)用[5-8]。然而，將員工工作感受納入績效系統(tǒng)在制造業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用仍處于初步階段。LI等[9]將AutoCAD工作進行趣味化設(shè)計，使其具有分數(shù)、任務(wù)、獎勵等屬性，從而使得制圖過程更具有愉悅感。BROUGH等[10]利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)為機械裝配工人提供更加輕松和便捷的虛擬訓練環(huán)境，使其可以完成在實際操作環(huán)境中較難進行的裝配訓練。

本研究提出基于績效激勵機制的數(shù)控機床人機交互系統(tǒng)設(shè)計，旨在令員工在工作過程中，從心理層面感受到動力、滿意度、投入感、興趣等正面情緒，從而在行為層面提高其工作績效表現(xiàn)。研究內(nèi)容包含：基于績效激勵機制的數(shù)控機床人機交互系統(tǒng)設(shè)計的結(jié)構(gòu)與策略，該系統(tǒng)利用數(shù)控機床自動獲取加工數(shù)據(jù)的相關(guān)功能以及數(shù)控機床操作工人績效及工作情緒提升需求，提出通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)聯(lián)結(jié)數(shù)控機床端、上位機端、云端以及移動客戶端四個部分的系統(tǒng)架構(gòu)及功能策略；對該交互系統(tǒng)進行設(shè)計與開發(fā)，通過對四個端口的程序及架構(gòu)開發(fā)，實現(xiàn)交互系統(tǒng)設(shè)計；通過實例對所開發(fā)的交互系統(tǒng)進行有效性檢驗，結(jié)果表明該系統(tǒng)可以使參與者的工作動機、工作滿意度以及工作績效表現(xiàn)顯著性提升。

1 基于績效激勵機制的數(shù)控機床人機交互系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)與設(shè)計策略

1.1 總體結(jié)構(gòu)

基于績效激勵機制的數(shù)控機床人機交互系統(tǒng)包含四個部分，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。本系統(tǒng)的最底層由多臺數(shù)控機床組成。在數(shù)控系統(tǒng)中開發(fā)了用于啟動、結(jié)束的計時器及計時器變量結(jié)果轉(zhuǎn)存的用戶宏程序，在運行程序的同時能夠獲取操作工人完成上述各項關(guān)鍵任務(wù)的耗時。在每一特定周期(如工件加工周期)后,這些耗時數(shù)據(jù)會通過數(shù)控系統(tǒng)的工業(yè)以太網(wǎng)接口發(fā)送至上位機。上位機接收機床上傳的數(shù)據(jù)會按照一定的規(guī)則進行分數(shù)計算及排名統(tǒng)計，將此結(jié)果返回到數(shù)控機床操作系統(tǒng)，并將計算結(jié)果和原始數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)庫中。為了保護上位機的數(shù)據(jù)安全以及保障數(shù)控機床上的生產(chǎn)順利進行，數(shù)據(jù)經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)開關(guān)與防火墻，通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸至云端平臺，從而與外界訪問終端進行連接。此終端部分采用C/S構(gòu)架，針對移動客戶端編寫相關(guān)程序。用戶可通過手機APP查看到經(jīng)過可視化后的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)并進行交互。

圖1 基于績效激勵機制的數(shù)控機床人機交互系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of thehuman computer interactio n system for CNC machine tools based on performanc e incentive mechanism

1.2 設(shè)計策略

本系統(tǒng)的目標旨在提高數(shù)控機床操作工人的工作效率和工作情緒，因此，對采集到的數(shù)控機床操作過程數(shù)據(jù)進行量化和集成，并產(chǎn)生更加能夠激發(fā)工人工作動機的實時反饋數(shù)據(jù)是本績效系統(tǒng)的核心任務(wù)。基于先前研究取得的成果[11]，數(shù)控機床操作可根據(jù)工作特征模型(job characteristic model, JCM)提煉出設(shè)計策略，如表1所示。其中，工作核心特征欄為JCM中對工作的特征總結(jié)，選取了其中三個主要的特征，即技能多樣性、自主性和反饋。數(shù)控機床操作核心任務(wù)一欄為針對三個工作核心特征的各項核心任務(wù)。后4欄的內(nèi)容包括目標設(shè)定、激勵元素、激勵機制、心理需求4項。最后一欄為基于前面各欄的內(nèi)容，提出對應(yīng)的設(shè)計策略。

2 基于績效激勵機制的數(shù)控機床人機交互系統(tǒng)設(shè)計

2.1 機床端數(shù)據(jù)采集與程序開發(fā)

本系統(tǒng)的機床端開發(fā)基于FANUC數(shù)控系統(tǒng)，使用FANUC Picture軟件進行開發(fā)，在所有具有FANUC Picture Executor功能的FANUC數(shù)控系統(tǒng)上均可兼容。基于上述設(shè)計策略，數(shù)控機床操作工人在各項核心任務(wù)的操作時間、完成工件的數(shù)量以及良品率方面將會被采集作為生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)。完成工件的數(shù)量直接由數(shù)控系統(tǒng)獲取，良品率在質(zhì)檢報告給出后即可獲得。核心任務(wù)操作時間的獲取與人機交互的流程如圖2所示，當按下“啟動”按鈕后，系統(tǒng)會在每項任務(wù)開始前進行提示，如提示“檢查程序”，操作工人需要按照實際工作情況進行常規(guī)操作，在此過程中操作工人無需進行額外操作，系統(tǒng)會自動獲取完成每項任務(wù)的工作時間，并記錄到相應(yīng)的變量中。當操作工人完成全部加工任務(wù)后，系統(tǒng)會給出所有任務(wù)的耗時總長，操作界面如圖3a所示，如員工愿意提交本次加工任務(wù)的數(shù)據(jù)以參加競賽，系統(tǒng)則會將本數(shù)控機床所獲取的數(shù)據(jù)上傳到上位機進行計算，隨后反饋信息到數(shù)控機床系統(tǒng)，操作界面如圖3b所示。反之，系統(tǒng)則不會上傳本機床獲取的數(shù)據(jù)，此舉可避免由于“強制性快樂”對參與者所產(chǎn)生的影響。

表1 基于績效激勵機制的數(shù)控機床人機交互系統(tǒng)設(shè)計策略

2.2 上位機端設(shè)計

在收到來自各個數(shù)控機床傳輸?shù)墓と送瓿筛黜椇诵娜蝿?wù)的時間數(shù)據(jù)后，上位機會通過MT-Linki軟件開發(fā)的程序進行計算和排名，在得到以下結(jié)果后返傳回數(shù)控系統(tǒng)并顯示:①完成各項任務(wù)的時間排名；②臨時總分數(shù)；③臨時總排名。分數(shù)的計算規(guī)則可根據(jù)企業(yè)績效管理需求進行自定義。所有數(shù)據(jù)結(jié)算完畢后，最終結(jié)果會通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送至云端平臺，以方便用戶使用手機等移動終端查閱。

圖2 核心操作任務(wù)數(shù)據(jù)獲取與人機交互流程圖Fig.2 Data capture of key operation tasks and huma n computer interaction flow chart

(a)各項任務(wù)完成耗時提示界面

(b)操作結(jié)束后數(shù)控機床的結(jié)果顯示界面圖3 機床端設(shè)計的部分操作界面Fig.3 Part of interfaces of terminal design based o n CNC machine tools

2.3 云平臺及移動端設(shè)計

經(jīng)上位機計算后的數(shù)據(jù)通過云平臺傳輸給移動端，本系統(tǒng)的移動端將最終的工作績效表現(xiàn)數(shù)據(jù)通過視覺化手段呈現(xiàn)給用戶。端口分為員工端和管理端兩種角色入口。員工端的用戶均為車間一線技術(shù)工人，管理端的用戶可包括企業(yè)總管、生產(chǎn)部長、車間主任、車間質(zhì)檢員等相關(guān)管理人員。員工端的功能框架如圖4a所示。生產(chǎn)計劃功能可以為員工提供所需要進行的生產(chǎn)任務(wù)通知，了解當天以及未來一周的生產(chǎn)任務(wù)。生產(chǎn)成就功能即為從上位機傳來的各項數(shù)據(jù)，包括生產(chǎn)量統(tǒng)計、所獲得總分、成就徽章和排行榜等信息，這一功能所獲得數(shù)據(jù)與績效系統(tǒng)的薪酬以及人力資源信息掛鉤。生產(chǎn)廣場功能即為工廠內(nèi)的“朋友圈”，可以發(fā)布各種文字、圖片、文件等內(nèi)容，可以為他人點贊或者評論。生產(chǎn)商店的功能可以讓員工通過花費個人的獎勵分數(shù)購買相應(yīng)的道具獎勵。當積分達到特定數(shù)值時，可換取培訓與職業(yè)發(fā)展的相關(guān)咨詢道具。管理端功能框架如圖4b所示。從生產(chǎn)力量部分可了解到工廠當日的生產(chǎn)情況及統(tǒng)計、工廠季度完成總量、入庫總量占年目標率、階段入庫量對比等信息。生產(chǎn)計劃功能是生產(chǎn)部長和車間主任的核心任務(wù)，他們可以通過此模塊進行車間人員分配、生產(chǎn)任務(wù)分配和上傳任務(wù)記錄等操作。生產(chǎn)檢驗模塊提供給檢驗人員進行輸入檢驗結(jié)果和導出檢驗結(jié)果的功能。生產(chǎn)廣場與員工端的功能一樣，可供用戶互瀏覽發(fā)布的內(nèi)容。移動端部分交互界面如圖5所示。

(a)員工端功能框架圖

(b)管理端功能框架圖圖4 移動端設(shè)計的功能框架Fig.4 Function structure of the mobile terminal

圖5 移動端部分交互界面Fig.5 Part of user interfaces of the mobile terminal

3 基于績效激勵機制的數(shù)控機床人機交互系統(tǒng)設(shè)計檢驗

3.1 實驗假設(shè)與流程

為了測試本人機交互系統(tǒng)設(shè)計的有效性，需要測量其對操作工人工作情緒以及工作績效表現(xiàn)兩方面的影響，因此提出三個假設(shè)，即：①此人機交互系統(tǒng)可以提升操作工人的工作動機；②此人機交互系統(tǒng)可以提升操作工人的工作滿意度；③此人機交互系統(tǒng)可以提升操作工人的工作績效表現(xiàn)。

實驗參與人員的采樣來源于一小型絲杠加工廠(工廠1)和一大型的汽車缸蓋生產(chǎn)廠(工廠2)，采用實地實驗，在兩個工廠真實工作環(huán)境中進行被測者平時真實的工作內(nèi)容，并選擇了加工時長和復雜程度類似的工件作為控制變量。分別篩選了26名和44名數(shù)控機床操作工人參與實驗，工廠1、工廠2員工的平均年齡為26.06歲(標準差為1.25)和25.8歲(標準差為0.76)，被測者全部為男性。

兩個工廠的被測試者均被分成等量的實驗組與對照組，采用對同一工廠的兩組被測者進行前后測量的手段檢驗三個因變量，即工作動機、工作滿意度和工作績效表現(xiàn)。兩組參與者對規(guī)定數(shù)量的相同工件進行加工后(工作時長為W1)，測量他們的三個因變量數(shù)值(M1)。隨后，對實驗組的被測試者進行數(shù)控機床績效系統(tǒng)功能講解，實驗組的被測試者改為在含有本績效系統(tǒng)設(shè)計的數(shù)控機床上進行工作。對照組無干涉措施，對規(guī)定數(shù)量的、且與實驗組相同的工件進行加工(工作時長為W2)。實驗組測量三個變量M2，而對照組測量三個變量M′2。同樣方法，進行另外三天的實驗，員工工作時間分別為W3、W4、W5，實驗組測量三個變量分別為M3、M4、M5，對照組測量三個變量M′3、M′4、M′5。

3.2 實驗數(shù)據(jù)測量

工作動機的測量采用工作動機量表(work motivation scale)[12]發(fā)展而來的7題量表。工作滿意度通過明尼蘇達工作滿意度量表(Minnesota satisfaction questionnaire,MSQ)[13]的短表中內(nèi)部動機題目進行測量。工作績效表現(xiàn)通過對工作時長和合格率這兩個因子進行測量。工作時長是指在每個工作階段內(nèi)完成規(guī)定數(shù)量的工件加工所花費的總時長；合格率是指每次工作時間結(jié)束后，通過檢測后合格的工件數(shù)占總加工工件數(shù)的百分比。

3.3 實驗結(jié)果分析

所有樣本的工作動機和工作滿意度數(shù)據(jù)均通過了信度和效度檢驗，并且兩個工廠的數(shù)據(jù)不存在顯著差異，可被認為是對一個整體樣本進行分析。對實驗組和對照組的工作動機和工作滿意度在W1和W2～W5之間進行配對樣本t檢驗(t值為顯著性檢驗的t統(tǒng)計量，p值為差異性顯著的檢驗值)。結(jié)果如表2所示，實驗組的工作動機和工作滿意度均值均有顯著提升，而對照組中此兩個因變量沒有顯著變化。這些實驗結(jié)果驗證了假設(shè)①和假設(shè)②。

表2 實驗組和對照組關(guān)于工作動機和工作滿意度的配對樣本t檢驗

對比實驗組和對照組的兩項工作績效表現(xiàn)因子可知,對于工作總時長來說，對兩個工廠的樣本各自進行配對樣本t檢驗來比較W1和W2～W5的均值區(qū)別，如表3所示。結(jié)果表明，對于實驗組來說，相比W1，W2～W5的總加工時長均值有所減小，而對照組并未出現(xiàn)顯著差異。同時，對兩組數(shù)據(jù)的合格率進行Wilcoxon檢驗，結(jié)果表明無論實驗組還是對照組，在W1～W5五個工作時間段內(nèi)，合格率都沒有顯著變化。因此，工作績效表現(xiàn)的測量因子在實驗組的工作時長有明顯縮短而合格率無明顯變化，對照組在兩個因子均無明顯變化的情況下，可驗證假設(shè)③。由此，三個假設(shè)均得到驗證，證明了基于生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)量化集成的數(shù)控機床操作績效系統(tǒng)對被測者的工作動機、工作滿意度以及績效表現(xiàn)均有顯著提升。

表3 實驗組與對照組的加工總時長的配對樣本t檢驗

4 結(jié)論

本研究創(chuàng)新點在于:從概念角度，增強了“人”這一因素在數(shù)控機床操作工作中的影響，通過對心理因素的設(shè)計來促進員工的績效行為表現(xiàn)；從技術(shù)角度，利用移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云平臺等先進的信息技術(shù)，以及數(shù)控系統(tǒng)能夠抓取各項操作的時間數(shù)據(jù)以及加工工件數(shù)據(jù)的特性，將員工的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)進行計算比較，形成競賽形式的分數(shù)及績效獎勵機制，并最終通過數(shù)控機床系統(tǒng)端和移動客戶端將數(shù)據(jù)進行信息系統(tǒng)的整合與實現(xiàn)；從應(yīng)用角度，實驗結(jié)果表明此數(shù)控機床人機交互系統(tǒng)對被測者的工作動機、工作滿意度以及工作績效表現(xiàn)均具有正面影響。本系統(tǒng)不但可以促進操作工人更高效和更有動力地完成工作，對于管理層用戶而言，所提供的更加準確的生產(chǎn)結(jié)果統(tǒng)計以及員工工作表現(xiàn)可以成為一種全新的提高生產(chǎn)效率和員工工作情緒的管理手段。另外，這套績效系統(tǒng)的應(yīng)用范圍具有廣闊潛力。就目前單個的工廠層面來考慮，它可以被應(yīng)用在班組之間、車間之間等工廠內(nèi)部的各種層級之間，從而促進生產(chǎn)效率的提高。在大數(shù)據(jù)時代，這套系統(tǒng)中用戶所積累的分數(shù)、等級、成就等數(shù)據(jù)信息，可能成為一種被全國范圍內(nèi)工廠之間以及行業(yè)內(nèi)認可和量化的職業(yè)技能標準。應(yīng)用這套系統(tǒng)的技術(shù)人員，可通過這個公共平臺上的個人數(shù)據(jù)信息來體現(xiàn)其職業(yè)技能價值以及地位，也能為中國制造業(yè)人才的儲備、培養(yǎng)和管理提供具有參考價值的信息。